In this study, we present a novel catalyst layer (CL) with in-plane flow channels to enhance mass transports in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC). The CL having in-plane channels on its surface is fabricated by coating a catalyst layer slurry on a substrate with line pattern and transferring the dried CL from the substrate to a membrane. The membrane electrode assembly (MEA) with the in-plane channel-patterned catalyst layer (IC-CL) shows superior power performances in high current densities investigated compare with conventional flat CL (FCL), indicating significant enhancement in mass transport by the IC-CL. The performance increase is more pronounced when the channel direction is perpendicular to the flow field direction, indicating that the in-plane channels increase the utilization of the CL under land area. Simulation results show that Knudsen diffusion in the CL is facilitated in the presence of the channels. These reasons demonstrate that role of the pattern is same as channel at the bipolar plate and further experimental results show that, additional in-plane direction of channel at CL enhance the mass transport.
우리 연구팀은 이번 연구에서 고분자 전해질 연료전지 내 물질전달을 향상 시키고자 평면 방향으로 유체가 흐를 수 있는 경로가 형성된 촉매층을 개발하였다. 라인 패턴이 새겨진 기판 위에 촉매 용액을 코팅하고 건조 시킨 후, 막에 전사하는 방법을 통해 표면에 평면 방향으로 경로가 새겨진 촉매층을 제작하였다. 평면 방향으로 경로가 형성된 촉매층으로 제작된 막-전극 접합체의 경우 일반적인 평평한 촉매층에 비해서 높은 전류밀도 범위에서 높은 성능을 나타내었고, 이것은 물질전달이 향상된 것을 의미한다. 성능의 증가는 촉매층에 형성된 경로와 외부 기체가 흐르는 경로가 수직일 때 더 두드러지는데 이것은 눌려있는 촉매층 부분을 더욱 활용할 수 있다는 것을 의미한다. 경로의 존재로 인해 기체의 누센 확산이 증가하는 것을 시뮬레이션 결과로부터 확인할 수 있다. 이러한 결과는 촉매층 내 경로가 바이폴라 플레이트에 존재하는 경로와 같은 역할을 한다는 것을 의미하며, 다른 실험 결과들을 통해 촉매층에 추가적으로 형성된 평면 방향의 경로가 물질전달을 향상 시킨다는 것을 보여준다.
